JPH0260056B2 - - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】
[産業上の利用分野]
本発明はRIE(反応性イオン・エツチング)に
よつて半導体基板とくにシリコン基板に深い溝部
を形成するための方法に係る。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention relates to a method for forming deep grooves in a semiconductor substrate, particularly a silicon substrate, by RIE (Reactive Ion Etching).
[従来技術]
従来、軽度にドープした上下の半導体層によつ
てサンドイツチ状にはさまれた濃密にドープした
半導体層からなる構造体に深い溝部を形成するた
めにRIE技術が用いられている。[Prior Art] Conventionally, the RIE technique has been used to form deep trenches in a structure consisting of a heavily doped semiconductor layer sandwiched in a sandwich pattern by upper and lower lightly doped semiconductor layers.
[発明が解決しようとする問題点]
トランジスタ・デバイスを形成するために必要
な上記の様なドーピング・レベルの変動する基板
をRIE技術を用いてエツチングし、深い溝部を形
成すると、異なるドーピング・レベルを呈する基
板の一部にアンダーカツト部分が生じる。この現
象は上記のような構成の基板に溝部の幅が1.25μ
以下の深い溝部を形成する場合に顕著である。[Problems to be Solved by the Invention] When a deep trench is formed by etching a substrate with varying doping levels as described above necessary for forming a transistor device using the RIE technique, the doping levels vary. An undercut portion occurs in a portion of the substrate exhibiting This phenomenon occurs when the width of the groove is 1.25μ on the board configured as above.
This is noticeable when forming the following deep grooves.
濃密にドープした半導体領域の横方向エツチン
グ(bloomigと称せられる)についてはIBM
TDB、Vol.21、No.7、December1978、p.2814に
示されている。 IBM for lateral etching of heavily doped semiconductor regions (referred to as bloomig).
It is shown in TDB, Vol. 21, No. 7, December 1978, p. 2814.
従来の方法においては、前記サンドイツチ構造
体に単一のステツプで所望の溝部を設けるため
に、CCl2F2+O2もしくはSF6+CCl2の混合体にお
いてエツチングが行なわれた。これらのガスを用
いると、溝部の幅が1.25μより小さくなる場合、
上記の様な横方向エツチングが行なわれ、高密度
のデバイス形成の障害となる凹所すなわち溝部に
絶縁材を充填する場合に絶縁材が入り込まない凹
所が生じた。 In conventional methods, etching was performed in a mixture of CCl 2 F 2 +O 2 or SF 6 +CCl 2 to provide the desired groove in the sander trench structure in a single step. When using these gases, if the groove width becomes smaller than 1.25μ,
When the above-described lateral etching is performed, a recess is created into which the insulating material cannot be filled when filling the recess or groove portion with the insulating material, which is an obstacle to the formation of high-density devices.
従つて本発明は半導体基板に均一な側壁を有す
る溝部を形成するRIE方法を提供することを目的
とするものである。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide an RIE method for forming trenches with uniform sidewalls in a semiconductor substrate.
[問題点を解決するための手段]
本発明においては、RIEのためにCCl2F2+アル
ゴン並びにCCl2F2+酸素を用いる。先ず前者の
ガスは、軽度にドープした半導体基板の上方の層
の露出した部分をその厚さの少くとも一部をエツ
チングするために用いられる。後者のガスは、前
者のガスを排気したのち、上方の層の残りの厚さ
の部分をエツチングし、濃密にドープした領域を
エツチングし、そして該領域の下の下方の軽度に
ドープした領域の少なくとも一部をエツチングす
るために用いられる。本発明は特定の溝部の幅に
限定されないが、およそ1.25μ以下の幅の溝部を
エツチングする場合に特に適している。[Means for Solving the Problems] In the present invention, CCl 2 F 2 + argon and CCl 2 F 2 + oxygen are used for RIE. First, the former gas is used to etch at least a portion of the thickness of the exposed portion of the upper layer of the lightly doped semiconductor substrate. The latter gas, after exhausting the former gas, etches the remaining thickness of the upper layer, etches the heavily doped region, and etches the lightly doped region below it. Used for etching at least a portion. Although the present invention is not limited to any particular trench width, it is particularly suited for etching trenches with widths of approximately 1.25 microns or less.
[実施例]
まず第3図は本発明の方法を実施する場合に用
いる反応性イオン・エツチング(RIE)装置の部
分的な断面図を示す。1は真空ハウジング、2は
ベース・プレート、3はガラスもしくは金属製の
ベル・ジヤー(ベース・プレート2に対して封止
されている)である。4はカソード・プレートで
あつて、カソード5へ電気的機械的に接続され、
ベル・ジヤー3内に配置されている。[Example] First, FIG. 3 shows a partial cross-sectional view of a reactive ion etching (RIE) apparatus used in carrying out the method of the present invention. 1 is a vacuum housing, 2 is a base plate, and 3 is a glass or metal bell jar (sealed to the base plate 2). 4 is a cathode plate electrically and mechanically connected to the cathode 5;
It is located inside Bell Jar 3.
カソード5は絶縁体7を介してベース・プレー
ト2を通して設けられた電極支持素子6によつて
支持される高周波電極であることが望ましい。電
極支持素子6及び絶縁体7はベース・プレート2
とほぼ平行にカソード5を保持する。ベース・プ
レート2から伸びるシールド8はカソード・プレ
ート4、カソード5及び電極支持素子6から間隔
を置いてこれらの要素の形状に沿う形で設けられ
ている。カソード・プレート4の表面には複数の
凹所9があるが、この中にエツチングすべき基板
が収容される。 The cathode 5 is preferably a high frequency electrode supported by an electrode support element 6 provided through the base plate 2 via an insulator 7. The electrode support element 6 and the insulator 7 are connected to the base plate 2
Hold the cathode 5 almost parallel to the A shield 8 extending from the base plate 2 is provided at a distance from the cathode plate 4, cathode 5 and electrode support element 6, following the shape of these elements. The surface of the cathode plate 4 has a plurality of recesses 9 in which the substrate to be etched is accommodated.
10は有孔アノード・プレート(捕獲プレー
ト)である。 10 is a perforated anode plate (capture plate).
アノード・プレート10は作動中に生じたプラ
ズマをアノード・プレート10及びカソード・プ
レート4の間の空間にとじ込める。しかしながら
拡散グローがベル・ジヤー3の残部に満たされて
いる。 The anode plate 10 confines the plasma generated during operation in the space between the anode plate 10 and the cathode plate 4. However, a diffused glow fills the remainder of the bell jar 3.
通常は銅で作るカソード・プレート5には必要
ならばカソード・プレート4を冷却するための流
体導管12が設けられている。電極支持素子6と
接地電位の間にRIE装置へ電力を供給する高周波
電源13が接続されている。 The cathode plate 5, usually made of copper, is provided with fluid conduits 12 for cooling the cathode plate 4 if necessary. A high frequency power source 13 that supplies power to the RIE apparatus is connected between the electrode support element 6 and the ground potential.
アノード・プレート10はシールド8と同電位
(接地電位)に接続されている。アノード・プレ
ート10はカソード・プレート4から約2.54cm
(1インチ)離れて配置されるのが好ましい。カ
ソード・プレート4の材料は幾分スパツタリング
されるので、アノード・プレート10はスパツタ
された材料を阻止し、その材料がエツチング中の
基板表面に向つて逆に拡散するのを防止するよう
に用いられる。カソード・プレート4の材料とし
てアルミニウム、ステンレス鋼もしくは銅を用い
る場合に上記のようなスパツタリングが生じう
る。 The anode plate 10 is connected to the same potential as the shield 8 (ground potential). Anode plate 10 is approximately 2.54 cm from cathode plate 4
(1 inch) apart. As the material of the cathode plate 4 is somewhat sputtered, the anode plate 10 is used to intercept the sputtered material and prevent it from diffusing back towards the surface of the substrate being etched. . When aluminum, stainless steel or copper is used as the material for the cathode plate 4, sputtering as described above may occur.
第3図において、14はベル・ジヤー3内を排
気するための真空ポンプ(図示せず)に接続した
排気パイプである。排気は基板をRIE処理する前
に行なう。導管15から分岐した導管16及び1
7には可変リーク弁18,19及び流量計20,
21が設けられている。弁及びメータは流量制御
装置のような機能を有する装置で置き換えること
ができる。流量計(Mass flow meter)及び制
御装置は例えば標準cm3/分(standard cubic
centimeters per minutes……sccm)の単位で分
子流量を測定する。22及び23はRIEに用いる
夫々第1のガス及び第2のガスの貯蔵容器であ
る。 In FIG. 3, 14 is an exhaust pipe connected to a vacuum pump (not shown) for evacuating the inside of the bell jar 3. Exhaust is performed before RIE processing the substrate. Conduits 16 and 1 branched from conduit 15
7 has variable leak valves 18, 19 and a flow meter 20,
21 are provided. The valves and meters can be replaced by devices that function as flow controllers. Mass flow meters and control devices can be used, for example, with standard cubic
Measures the molecular flow rate in units of centimeters per minute (sccm). 22 and 23 are storage containers for a first gas and a second gas, respectively, used for RIE.
カソード・プレート4の凹所9に基板を配置す
る。基板はその表面がカソード・プレート4の表
面と同一平面になるように配置される。 A substrate is placed in the recess 9 of the cathode plate 4. The substrate is arranged so that its surface is flush with the surface of the cathode plate 4.
従来技術を示す第2図を参照する。30は例え
ばシリコンの半導体基板である。31は濃密にド
ープしたn+導電型の層であつて、軽度にドープ
したn型の層32,33がその上下に設けられて
いる。34はマスク層であつて、これは基板30
の表面に付着された二酸化シリコンの単一層でも
よいし、窒化シリコン層の上に二酸化シリコン層
を設けた複合層であつてもよい。マスク層の材料
は所望の深度まで基板に溝部を設けるのにマスク
として耐えるものなら何でもよい。 Please refer to FIG. 2 which shows the prior art. 30 is a semiconductor substrate made of silicon, for example. Reference numeral 31 denotes a heavily doped n + conductivity type layer, with lightly doped n type layers 32 and 33 above and below it. 34 is a mask layer, which is the mask layer of the substrate 30.
It may be a single layer of silicon dioxide deposited on the surface of the substrate, or it may be a composite layer of silicon dioxide on top of a silicon nitride layer. The material of the mask layer may be any material that can serve as a mask for forming grooves in the substrate to a desired depth.
第2図において35は溝部である。これは層3
1,32を貫通し層33の部分にまで伸びてい
る。第3図のRIE装置において、CCl2F2+酸素も
しくはSF6+CCl2のようなエツチング・ガスを用
いる場合、濃密にドープしたn+層31における
領域36において横方向エツチングが生じる。即
ち溝部35は不均一な側壁を呈し、この溝部に絶
縁材が充填される場合、上記領域36の凹所の故
にウエハ上に形成されるデバイスの密度が相当低
下する。上記従来技術のガスを用いる場合、マス
ク層34の開口の幅Wがおよそ1.25ミクロン辺り
までは側壁は比較的均一である。しかしながらこ
の点を境にしてn+層31に顕著な横方向エツチ
ングが生じ、上記の好ましくない密度及び凹所の
問題が発生する。 In FIG. 2, 35 is a groove. This is layer 3
1 and 32 and extends to layer 33. In the RIE apparatus of FIG. 3, when using an etching gas such as CCl 2 F 2 +Oxygen or SF 6 +CCl 2 , lateral etching occurs in region 36 in heavily doped n + layer 31. That is, the trench 35 exhibits non-uniform sidewalls, and when the trench is filled with insulating material, the recess of the region 36 significantly reduces the density of devices formed on the wafer. When using the above-mentioned prior art gas, the sidewalls are relatively uniform until the width W of the opening in the mask layer 34 is approximately 1.25 microns. However, beyond this point significant lateral etching occurs in the n + layer 31, resulting in the undesirable density and recess problems described above.
第1図を参照する。第2図とほとんど同じ構造
体が示されるが、溝部35の側壁は均一であつ
て、n+層31に横方向エツチングが生じていな
い。 Please refer to FIG. Much the same structure as in FIG. 2 is shown, but the sidewalls of trench 35 are uniform and there is no lateral etching of n + layer 31.
第1図の基板30はまず層31を形成するため
にn型シリコン・ウエハに燐もしくはヒ素のよう
なn導電型のドーパントをイオン注入もしくは拡
散によつて調製する。層31のドーピング・レベ
ル(1×1019cm-3)はn+導電型を呈するように濃
密にドープされる。続いて、層31の上に公知技
術を用いて軽度にドープしたn導電型の層32
(1×1015cm-3)をエピタキシヤル成長させる。
次に、CVDもしくは公知の再形成法により層3
2の表面に2酸化シリコンのマスク層34を形成
する。フオトリソグラフ法によりマスク層34の
一部を除去し、RIEによつて溝部35を形成すべ
き層32の表面部分を露出させる。 The substrate 30 of FIG. 1 is first prepared by implanting or diffusing an n-type silicon wafer with an n-conductivity type dopant, such as phosphorous or arsenic, to form layer 31. The doping level of layer 31 (1×10 19 cm −3 ) is heavily doped to exhibit n + conductivity type. Subsequently, a lightly doped layer 32 of n-conductivity type is formed on layer 31 using known techniques.
(1×10 15 cm -3 ) is grown epitaxially.
Next, layer 3 is removed by CVD or other known reformation methods.
A mask layer 34 of silicon dioxide is formed on the surface of 2. A portion of the mask layer 34 is removed by photolithography, and a surface portion of the layer 32 in which the groove 35 is to be formed is exposed by RIE.
次に第3図に示すRIE装置のカソード・プレー
ト4の凹所9に基板30を配置する。RIE装置を
密封し、排気パイプ14を介してベル・ジヤー3
内を図示しないポンプで排気する。夫々CCl2F2
+アルゴン及びCCl2F2+酸素で充たしたガス貯
蔵容器22及び23を弁18,19並びに流量計
20,21でもつて制御しつつ真空ハウジング1
の内部に接続する。 Next, the substrate 30 is placed in the recess 9 of the cathode plate 4 of the RIE apparatus shown in FIG. Seal the RIE device and connect the bell jar 3 via the exhaust pipe 14.
The inside is evacuated using a pump (not shown). respectively CCl 2 F 2
Vacuum housing 1 while controlling gas storage vessels 22 and 23 filled with +argon and CCl 2 F 2 +oxygen with valves 18, 19 and flow meters 20, 21.
Connect inside.
RIEによつてエツチングする溝部の深さが5μで
あり、層32が厚さ3μであり、層31が厚さ1μ
であり、Wがおよそ1.25μであり、マスク層34
の厚さが5μであると仮定し、次の様なプロセス
が実施される。 The groove depth etched by RIE is 5μ, layer 32 is 3μ thick, and layer 31 is 1μ thick.
, W is approximately 1.25μ, and the mask layer 34
Assuming that the thickness of the film is 5μ, the following process is carried out.
第1のステツプにおいて、真空ハウジング1内
にCCl2F2+アルゴンが導入される。RIEは次の条
件で実施される。 In a first step, CCl 2 F 2 + argon is introduced into the vacuum housing 1. RIE will be conducted under the following conditions.
(a) ガス流量 20sccm
(b) ガス圧 20μ
(c) RIE電力 100W
(d) ガス比(体積比) 1
CCl2F2:アルゴン=50:50
これらの条件の下で層32を約0.5μの深さにエ
ツチングする。(a) Gas flow rate 20sccm (b) Gas pressure 20μ (c) RIE power 100W (d) Gas ratio (volume ratio) 1 CCl 2 F 2 :Argon = 50:50 Under these conditions, the layer 32 is approximately 0.5μ Etch to a depth of .
上記ステツプにおいて、20−25sccmの範囲の
ガス流量を用いてもよい。ガス圧は18−23μ、
RIE電力は100W±10%でもよい。これらの条件
の範囲において、同様の結果が得られる。 Gas flow rates in the range of 20-25 sccm may be used in the above steps. Gas pressure is 18−23μ,
RIE power may be 100W±10%. Similar results are obtained within these conditions.
第2ステツプにおいて、RIEを止め、排気パイ
プ14を介してCCl2F2+アルゴンを排気する。 In the second step, the RIE is stopped and the CCl 2 F 2 + argon is evacuated via the exhaust pipe 14.
第3ステツプにおいて、CCl2F2+酸素を導入
し、下記の条件でRIEを実施する。 In the third step, CCl 2 F 2 + oxygen is introduced and RIE is performed under the following conditions.
(a) ガス流量 20sccm
(b) ガス圧 20μ
(c) RIE電力 100W
(d) ガス比(体積比) 1
CCl2F2+O2=50:50
上記の条件で層32の残りの厚さ部分及びn+
層31をエツチングし、n層33の一部をエツチ
ングした。溝部35の側壁は均一である。最後の
ステツプにおいてガス流量を20−25sccm、ガス
圧を18−23μ、RIE電力を100W±10%としても同
様な結果が得られた。(a) Gas flow rate 20sccm (b) Gas pressure 20μ (c) RIE power 100W (d) Gas ratio (volume ratio) 1 CCl 2 F 2 + O 2 = 50:50 Under the above conditions, the remaining thickness of layer 32 and n +
Layer 31 was etched, and a portion of n-layer 33 was etched. The side walls of the groove 35 are uniform. Similar results were obtained using a gas flow rate of 20-25 sccm, a gas pressure of 18-23 microns, and an RIE power of 100 W±10% in the last step.
エピタキシヤル層32のエツチングをCCl2F2
及びアルゴンの雰囲気で最初に行う際に表面から
底部まで完全にエツチングを行つても、後の
CCl2F2及び酸素の雰囲気のエツチングでは横方
向エツチングを回避できるであろう。しかし最初
のエツチングで底部までエツチングする特別な技
術的な理由がない限りこのようにはしない。層3
2の少なくとも一部をエツチングするのが好まし
い。例えば1μmの層31に対して層32の当初
エツチングされる厚さは0.4μm−0.6μmである。
エピタキシヤル層31が厚ければ厚い程層32の
エツチングされる部分が大となるのはいうまでも
ないが、通常、層31は層32の半分の厚さより
やや薄いので、層32が最初のエツチングにより
貫通されてしまうことはない。 Etching the epitaxial layer 32 with CCl 2 F 2
Even if complete etching is performed from the surface to the bottom the first time in an argon atmosphere, the subsequent
Etching in an atmosphere of CCl 2 F 2 and oxygen may avoid lateral etching. However, do not do this unless there is a special technical reason to etch all the way to the bottom during the first etching. layer 3
Preferably, at least a portion of 2 is etched. For example, for layer 31 of 1 .mu.m, the initial etched thickness of layer 32 is 0.4 .mu.m-0.6 .mu.m.
It goes without saying that the thicker the epitaxial layer 31, the larger the portion of layer 32 that will be etched, but since layer 31 is typically slightly less than half the thickness of layer 32, layer 32 is the first layer to be etched. It will not be penetrated by etching.
[発明の効果]
上記ステツプを用いることによつて半導体ウエ
ハに均一な側壁を有する溝部を形成しうる。通常
の応用例において、層31はサブコレクタ層であ
り、層32はバイポーラ・デバイスのエミツタ、
ベース及びコレクタを形成するエピタキシヤル層
である。本発明は上記特定の場合のみならず層も
しくは領域のドープ・レベルが変動する任意の積
層構造体においても用いることができる。[Effects of the Invention] By using the above steps, grooves having uniform sidewalls can be formed in a semiconductor wafer. In typical applications, layer 31 is the subcollector layer and layer 32 is the emitter of the bipolar device.
Epitaxial layers forming the base and collector. The invention can be used not only in the specific case described above, but also in any stacked structure in which the doping levels of layers or regions vary.
第1図ではn導電型の事例について示したが、
p導電型の場合にも適用しうる。さらに、第3図
の層33がp型で、他の領域がn型であつてもよ
い。逆に層33がn型で他の層がp型であつても
よい。 Although Figure 1 shows an example of n-conductivity type,
It can also be applied to the case of p conductivity type. Furthermore, layer 33 in FIG. 3 may be p-type and the other regions may be n-type. Conversely, the layer 33 may be n-type and the other layers may be p-type.
第1図は本発明によつて形成した均一な側壁を
有する溝部を設けた基板の断面図、第2図は従来
技術によつて形成した不均一な側壁を有する溝部
を設けた基板の断面図、第3図はRIE装置の概要
を示す図である。
30……基板、31……n+層、32……n層、
33……n層、34……マスク層、35……溝
部。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a substrate provided with grooves having uniform sidewalls formed according to the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view of a substrate provided with grooves having uneven sidewalls formed according to the prior art. , FIG. 3 is a diagram showing an outline of the RIE apparatus. 30...Substrate, 31...n + layer, 32...n layer,
33...N layer, 34...Mask layer, 35...Groove portion.
Claims (1)
密にドープした層がはさまれてなるシリコン構造
体に深い溝部を形成する方法であつて、 CCl2F2及びアルゴンの雰囲気に於いて上記第
1の層の露出した表面をその厚さ方向に少くとも
一部反応性イオン・エツチングし、 CCl2F2及び酸素の雰囲気に於いて上記第1の
層の残部の厚さ分と、上記濃密にドープした層
と、上記第2の軽度にドープした層の少くとも一
部とを反応性イオン・エツチングする事を含む、 上記シリコン構造体に深い溝部を形成する方
法。[Claims] 1. A method for forming a deep trench in a silicon structure comprising a heavily doped layer sandwiched between first and second lightly doped layers, comprising: CCl 2 F 2 reactive ion etching of the exposed surface of the first layer at least partially through its thickness in an atmosphere of CCl 2 F 2 and oxygen; forming a deep trench in the silicon structure, including reactive ion etching the remaining thickness of the heavily doped layer and at least a portion of the second lightly doped layer; how to.
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